第3章 Simulink建模与仿真

第3章Simulink建模与仿真第3章Simulink建模与仿真3.1Simulink模块库简介与使用3.2构建Simulink框图3.3设计Simulink框图的界面3.4Simulink与MATLAB的接口设计3.5简单系统的仿真分析3.6Simulink的调试技术第3章Simulink建模与仿真3.1Simulink模块库简介与使用3.1.1Simulink的启动Simulink是基于MATLAB环境之上的高性能的系统级仿真设计平台，因此启动Simulink之前必须首先运行MATLAB，然后才能启动Simulink并建立系统模型。启动Simulink有两种方式：(1)用命令行方式启动Simulink。即在MATLAB的命令窗口中直接键入如下命令：simulink第3章Simulink建模与仿真(2)使用工具栏按钮启动Simulink。即用鼠标单击MATLAB工具栏中的Simulink按钮。启动Simulink，建立系统模型，其相应的基本操作如图3.1所示。依次表示新建、打开系统模型文件依次表示新建、打开与保存系统模型文件图3.1启动Simulink，建立系统模型的基本操作第3章Simulink建模与仿真为便于用户能够快速构建自己所需的动态系统，Simulink提供了大量以图形方式给出的内置系统模块，使用这些内置模块可以快速方便地设计出特定的动态系统。为了便于用户对Simulink内置模块库的认识与使用，本节简单介绍Simulink中的模块库以及模块库中具有代表意义的系统模块。图3.2所示Simulink的模块库浏览器。第3章Simulink建模与仿真模块搜索模块描述系统模块系统模块库图3.2Simulink的模块库浏览器第3章Simulink建模与仿真3.1.2Simulink公共模块库Simulink公共模块库是Simulink中最为基础、最为通用的模块库，它可以被应用到不同的专业领域中。Simulink公共模块库主要包含9个模块库，如图3.3所示。下面分别介绍各个模块的功能：1.Continuous（连续系统模块库）连续系统模块库以及其中各模块的功能如图3.4所示。2.Discrete（离散系统模块库）离散系统模块库以及其中各模块的功能如图3.5所示。第3章Simulink建模与仿真连续系统模块库离散系统模块库函数与表库数学运算库非线性系统模块库信号与系统模块库系统输出模块库系统输入信号模块库Simulink子系统模块库连续系统模块库离散系统模块库函数与表库数学运算库非线性系统模块库信号与系统模块库系统输出模块库系统输入模块库子系统模块库图3.3Simulink的公共模块库第3章Simulink建模与仿真模块功能说明：连续信号的数值微分输入信号的连续时间积分单步积分延迟，输出为前一个输入线性连续系统的状态空间描述线性连续系统的传递函数描述对输入信号进行固定时间延迟对输入信号进行可变时间延迟线性连续系统的零极点模型模块功能说明：连续信号的数值微分输入信号的连续时间积分单步积分延迟，输出为前一个输入线性连续系统的状态空间描述线性连续系统的传递函数描述对输入信号进行固定时间延迟对输入信号进行可变时间延迟线性连续系统的零极点模型图3.4连续系统模块库及其功能第3章Simulink建模与仿真模块功能说明：线性离散系统的传递函数描述线性离散系统的零极点模型描述线性离散系统的滤波器描述线性离散系统的状态空间描述离散时间积分器离散信号的一阶保持器单位延迟离散信号的零阶保持器模块功能说明：线性离散系统的传递函数描述线性离散系统的零极点模型描述线性离散系统的滤波器描述线性离散系统的状态空间描述离散时间积分器离散信号的一阶保持器单位延迟离散信号的零阶保持器模块功能说明：线性离散系统的传递函数描述线性离散系统的零极点模型描述线性离散系统的滤波器描述线性离散系统的状态空间描述离散时间积分器离散信号的一阶保持器单位延迟离散信号的零阶保持器图3.5离散系统模块库及其功能第3章Simulink建模与仿真3.Functions&Tables（函数与表库）函数与表库以及其中各模块的功能如图3.6所示。4.Math（数学运算库）数学运算库以及其中各模块的功能如图3.7所示。5.Nonlinear（非线性系统模块库）非线性系统模块库以及其中各模块的功能如图3.8所示。6.Signals&Systems（信号与系统模块库）信号与系统模块库以及其中各模块的功能如图3.9所示。第3章Simulink建模与仿真模块功能说明：表数据选择器（从表中选择数据）求取输入信号的数学函数值对输入信号进行内插运算输入信号的一维线性内插输入信号的二维线性内插输入信号的n维线性内插M函数，对输入进行运算输出结果多项式求值查找输入信号所在范围S函数模块S函数生成器模块功能说明：表数据选择器（从表中选择数据）求取输入信号的数学函数值对输入信号进行内插运算输入信号的一维线性内插输入信号的二维线性内插输入信号的n维线性内插M函数（对输入进行运算输出结果）多项式求值查找输入信号所在范围S-函数模块S-函数生成器图3.6函数与表库及其功能第3章Simulink建模与仿真模块功能说明：求取信号的绝对值输出强制系统输入为零的代数状态按位逻辑运算逻辑真值查找输出输入复数的幅值与相位输出系统输入的实部或虚部点乘运算信号增益信号逻辑运算幅值与相位转化为复数形式特定的一些数学函数矩阵增益求取输入的最小或最大值乘法或除法器从输入实部与虚部构造复数关系运算器求整运算器符号运算渐变增益对输入求和或差三角与双曲函数模块功能说明：求取信号的绝对值输出强制系统输入为零的代数状态按位逻辑运算逻辑真值查找输出输入复数的幅值与相位输出系统输入的实部或虚部点乘运算信号增益信号逻辑运算幅值与相位转化为复数形式特定的一些数学函数矩阵增益求取输入的最小或最大值乘法或除法器从输入实部与虚部构造复数关系运算器求整运算器符号运算渐变增益对输入求和或差三角与双曲函数图3.7数学运算库及其能第3章Simulink建模与仿真2模块功能说明：死区间隙库仑粘滞信号死区信号双输出选择器（手动）多端口输出选择器量化器信号上升、下降速率控制器信号延迟器饱和信号三路选择器、根据输入控制输出模块功能说明：死区间隙库仑粘滞信号死区信号双输出选择器（手动）多端口输出选择器量化器信号上升、下降速率控制器信号延迟器饱和信号三路选择器(根据输入2控制输出)图3.8非线性系统模块库及其功能第3章Simulink建模与仿真模块功能说明：数据类型转换器信号分解器从Goto模块中获得信号函数调用发生器向Goto模块传递信号Goto模块标记控制器将信号与特定的偏移值比较初始化信号矩阵串联器合并输入信号为一个输出模块控制信息信号组合器信号探测器信号维数改变器选择或重组信号信号线属性修改输入信号宽度模块功能说明：数据类型转换器信号分解器从Goto模块中获得信号函数调用发生器向Goto模块传递信号Goto模块标记控制器将信号与特定的偏移值比较初始化信号矩阵串联器合并输入信号为一个输出模块控制信息信号组合器信号探测器信号维数改变器选择或重组信号信号线属性修改输入信号宽度第3章Simulink建模与仿真模块功能说明：对信号进行分配由输入产生总线信号总线信号选择器用户定义的数据存储区从数据存储区中读取数据向数据存储区写数据模块功能说明：对信号进行分配由输入产生总线信号总线信号选择器用户定义的数据存储区从数据存储区中读取数据向数据存储区写数据图3.9信号与系统模块库及其功能第3章Simulink建模与仿真7.Sinks（系统输出模块库）系统输出模块库以及其中各模块的功能如图3.10所示。8.Sources（系统输入模块库）系统输入模块库以及其中各模块的功能如图3.11所示。9.Subsystems（子系统模块库）子系统模块库以及其中各模块功能如图3.12所示。第3章Simulink建模与仿真模块功能说明：以数值形式显示输入信号悬浮信号显示器为子系统或模型提供输出端口信号显示器当输入非零时停止仿真中断输出信号将仿真数据写入mat文件将仿真数据输出到Matlab工作空间使用Matlab图形显示数据模块功能说明：以数值形式显示输入信号悬浮信号显示器为子系统或模型提供输出端口信号显示器当输入非零时停止仿真中断输出信号将仿真数据写入.mat文件将仿真数据输出到MATLAB工作空间使用MATLAB图形显示数据图3.10系统输出模块库及其功能第3章Simulink建模与仿真模块功能说明：有限带宽白噪声输出频率随时间线性变换的正弦信号输出当前仿真时间常数输入以固定速率输出当前仿真时间从Matlab工作空间中输入数据从mat文件中输入数据接地信号为子系统或其它模型提供输入端口输入脉冲信号输入斜坡信号输入服从高斯分布的随机信号输入周期信号信号发生器正弦信号初始器输入阶跃信号输入服从高斯分布的随机信号模块功能说明：有限带宽白噪声输出频率随时间线性变换的正弦信号输出当前仿真时间常数输入以固定速率输出当前仿真时间从MATLAB工作空间中输入数据从.mat文件中输入数据接地信号为子系统或其它模型提供输入端口输入脉冲信号输入斜坡信号输入服从高斯分布的随机信号输入周期信号信号发生器正弦信号初始器输入阶跃信号输入服从高斯分布的随机信号图3.11系统输入模块库及其功能第3章Simulink建模与仿真模块功能说明：可配置子系统原子子系统使能子系统使能触发子系统For循环子系统函数调用子系统If条件子系统条件执行子系统通用子系统子系统示例Switch－Case子系统Switch－Case动作子系统触发子系统当型循环子系统模块功能说明：可配置子系统原子子系统使能子系统使能触发子系统For循环子系统函数调用子系统If条件子系统条件执行子系统通用子系统Switch-Case子系统Switch-Case动作子系统触发子系统当型循环子系统图3.12子系统模块库及其功能第3章Simulink建模与仿真3.1.3Simulink专业模块库Simulink集成了许多面向各专业领域的系统模块库，不同领域的系统设计者可以使用这些系统模块快速构建自己的系统模型，然后在此基础上进行系统的仿真与分析，从而完成系统设计的任务。这里仅简单介绍部分专业模块库的主要功能。(1)ControlSystemToolbox模块库：面向控制系统的设计与分析，主要提供线性时不变系统的模块。第3章Simulink建模与仿真(2)DSPBlockset模块库：面向数字信号处理系统的设计与分析，主要提供DSP输入模块、DSP输出模块、信号预测与估计模块、滤波器模块、DSP数学函数库、量化器模块、信号管理模块、信号操作模块、统计模块以及信号变换模块等。(3)SimulinkExtras模块库：主要补充Simulink公共模块库，提供附加连续模块库、附加线性系统模块库、附加输出模块库、触发器模块库、线性化模块库、系统转换模块库以及航空航天系统模块库等。第3章Simulink建模与仿真(4)S-functiondemos模块库：主要提供C++、C、FORTRAN以及M文件下S-函数的模块库的演示模块。(5)Real-TimeWorkshop与Real-TimeWindowsTarget模块库：主要提供各种用来进行独立可执行代码或嵌入式代码生成，以实现高效实时仿真的模块。它们和RTW、TLC有着密切的联系。(6)Stateflow库：对使用状态图所表达的有限状态机模型进行建模仿真和代码生成。有限状态机用来描述基于事件的控制逻辑，也可用于描述响应型系统。第3章Simulink建模与仿真(7)定点模块库：包含一组用于定点算法仿真的模块。(8)通信模块库：专用于通信系统仿真的一组模块。(9)Dials&Gauges库：图形仪表模块库，它们实际上是一组ActiveX控件。(10)神经网络模块库：用于神经网络的分析设计和实现的一组模块。(11)模糊控制模块库：包括一组有关模糊控制的分析设计和实现的模块。(12)xPC模块库：提供了一组用于xPC仿真的模块。第3章Simuli